在材料科學(xué)的領(lǐng)域，金剛石被認(rèn)為是一種非常特殊的材料。它不僅因其出色的硬度和光學(xué)透明性而聞名，還因其在電子學(xué)和量子技術(shù)中的潛在應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注。最近，一項(xiàng)突破性的研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)金剛石進(jìn)行摻硼處理，可以誘發(fā)一種新的光學(xué)現(xiàn)象——間價(jià)等離子體（Intervalence Plasmons，IVPs）。這種現(xiàn)象為金剛石的進(jìn)一步應(yīng)用，尤其是在量子信息技術(shù)中的應(yīng)用，提供了新的可能性。

        什么是間價(jià)等離子體？

        首先需要了解什么是等離子體。等離子體是一種電子的集體振蕩現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在金屬或某些半導(dǎo)體中。當(dāng)這些材料中的自由電子響應(yīng)外部電場(chǎng)時(shí)，電子的集體運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一種特殊的光學(xué)響應(yīng)。這種響應(yīng)通常表現(xiàn)為材料表面或界面處的電磁波，這就是我們通常說的表面等離子體。

        間價(jià)等離子體是一種特殊類型的等離子體，它發(fā)生在材料的價(jià)帶內(nèi)部。通常，等離子體的形成需要自由電子或者導(dǎo)電電子，但間價(jià)等離子體的形成并不是因?yàn)檫@些自由電子，而是由于摻硼產(chǎn)生的“孔”（電子缺失的位置）。這些孔使得電子能夠在金剛石的不同子帶之間進(jìn)行過渡，從而產(chǎn)生一種特殊的集體電子激發(fā)現(xiàn)象。

        金剛石的變化

        金剛石是一種寬帶隙半導(dǎo)體，通常不具備自由電子，因此它本身是一個(gè)良好的絕緣體。然而，通過摻入硼元素，我們可以在鉆石中引入“孔”，從而改變其電子結(jié)構(gòu)。硼原子在金剛石的晶格中起到接受電子的作用，它們創(chuàng)建了一個(gè)空穴帶，允許電子從價(jià)帶躍遷到這個(gè)空穴帶，形成孔。

        這種孔的存在為金剛石的電子結(jié)構(gòu)開辟了新的通道，特別是在較高濃度的硼摻雜下，電子開始在價(jià)帶內(nèi)部進(jìn)行躍遷，這些躍遷就形成了間價(jià)帶過渡（IVB）。這些IVB過渡不僅改變了金剛石的電子屬性，還提供了觀察等離子體的機(jī)會(huì)。

        為了驗(yàn)證這一理論，研究人員采用了多種實(shí)驗(yàn)方法，包括掃描透射電子顯微鏡-價(jià)電子損失譜和近場(chǎng)紅外光譜。這些技術(shù)能夠探測(cè)到低能量的電子激發(fā)，這正是由間價(jià)帶過渡所引起的。

        在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，摻硼金剛石顯示出明顯的間價(jià)等離子體響應(yīng)，而未摻硼的金剛石則沒有這種現(xiàn)象。具體來說，他們?cè)诮饎偸瘶悠分杏^察到一個(gè)能量為0.1到0.3電子伏特的不可逆電子激發(fā)信號(hào)。這一信號(hào)與傳統(tǒng)的金屬等離子體不同，它并不是由自由電子引起的，而是由于價(jià)帶中的電子跳躍導(dǎo)致的。

        為了深入理解這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究人員還建立了第一性原理模型，通過模擬摻硼金剛石的復(fù)雜介電函數(shù)，進(jìn)一步解釋了間價(jià)等離子體的形成。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，表明在摻硼金剛石中，電子的躍遷確實(shí)能夠引發(fā)類似等離子體的響應(yīng)。

        通過這一模型，研究人員還發(fā)現(xiàn)，摻硼金剛石的介電函數(shù)表現(xiàn)出明顯的金屬化特征。這意味著，隨著摻硼濃度的增加，金剛石的光學(xué)和電子特性會(huì)變得更加接近金屬材料，這也為金剛石在光電子學(xué)中的應(yīng)用提供了新的可能性。

      間價(jià)等離子體的應(yīng)用前景

        間價(jià)等離子體的發(fā)現(xiàn)不僅為金剛石的基礎(chǔ)研究提供了新的視角，還為其在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新天地。金剛石在量子計(jì)算和量子通信中的應(yīng)用潛力巨大，尤其是在量子點(diǎn)缺陷和光子學(xué)方面。間價(jià)等離子體可能會(huì)與金剛石中的量子缺陷合作，增強(qiáng)其光學(xué)發(fā)射性能和量子信息處理能力。

        此外，金剛石的熱導(dǎo)率極高，能夠有效散熱，這使得它在高功率電子設(shè)備中的應(yīng)用前景更加廣闊。通過調(diào)節(jié)金剛石中的摻硼濃度，研究人員或許能夠制造出既具有優(yōu)異熱導(dǎo)性，又具備等離子體行為的材料，為下一代高效電子器件的設(shè)計(jì)提供支持。

        總結(jié)

        總的來說，摻硼金剛石中的間價(jià)等離子體現(xiàn)象為我們提供了一種全新的方式來調(diào)節(jié)和利用金剛石的電子性質(zhì)。通過精確控制摻硼的濃度，科學(xué)家們能夠調(diào)節(jié)金剛石的光學(xué)和電子行為，使其在未來的量子技術(shù)、光電子學(xué)和高效電子器件中扮演更加重要的角色。

        這一發(fā)現(xiàn)不僅為我們提供了新的材料設(shè)計(jì)思路，也為未來金剛石材料的實(shí)際應(yīng)用提供了更多的可能性。隨著摻硼技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，金剛石在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用范圍可能會(huì)大大擴(kuò)展，成為一種關(guān)鍵材料，推動(dòng)多個(gè)前沿科技領(lǐng)域的進(jìn)步。

        原文：Bhattacharya, S., Boyd, J., Reichardt, S. et al. Intervalence plasmons in boron-doped diamond. Nat Commun 16, 444 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55353-0